一种基于视觉的柔性机械臂的定位控制方法及系统与流程

本发明涉及机械臂控制领域，具体为基于视觉的柔性机械臂的定位控制方法及系统。

背景技术：

自上世纪80年代以来，机器人的工作环境变得更为复杂和不确定。一些特殊环境(航空航天、军事侦察、灾害救援、医疗手术等)下工作的特种机器人也逐渐成为研究热点。柔性机器人凭借着更高的运动灵活性、环境适应性和避开障碍物的能力也在这种场景中应运而生，成为科研人员研究的热点。

因柔性机械臂通常采用绳索来进行驱动，绳索受力之后绳长会发生变化；以及柔性机械臂采用柔性材料进行连接会导致柔性机械臂的刚度不足；上述通常引起柔性臂运动精度较差等问题。针对这一问题，研究人员尝试从动力学方面入手，使得所建的动力学模型与柔性机械臂的动力学特性相符合，从而更好地分析出柔性机械臂在不同受力状态下的运动特性。但通常因所建的动力学模型是理想及简化的，仍然与实际柔性机械臂的动力学特性有较大的偏差，不能够很好地解决柔性机械臂运动精度较差的问题。

因此，为了更好得解决柔性机械臂的定位控制，有必要进行改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种可快速实现定位控制的运动精度的基于视觉的柔性机械臂的定位控制方法及系统。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于视觉的柔性机械臂的定位控制方法，包括以下步骤：

获取机器人机械臂上特征区域的信息；

通过坐标系转换，分别获取到基座、关节转动中心及机械臂末端的位姿；

对所述柔性机械臂进行运动控制。

作为该技术方案的改进，通过拍照获取机器人机械臂上的二维码，利用二维码检测定位算法，得到所拍机械臂的位姿信息。

作为该技术方案的改进，通过二维码id及二维码坐标系到相机坐标系中的位姿变换矩阵，得到所述关节转动中心所在坐标系到所述相机坐标系的位姿变换矩阵。

作为该技术方案的改进，基于所述相机的外参量，可获得所述关节转动中心所在坐标系到基座坐标系的位姿变换矩阵。

作为该技术方案的改进，所述方法还包括：通过获得机械臂末端的二维码，进而得到机械臂末端点在基座坐标系的位姿变换矩阵。

进一步地，通过将得到的同一转动中心的多个位置坐标进行平均求解，获得基座转动中心、中间关节转动中心及末端的位置，进而实现所述柔性机械臂的臂型重建。

进一步地，所述方法还包括：根据所得机械臂末端点在基座坐标系的位姿变换矩阵与利用正运动学得出的末端到基座的变换矩阵进行比较，进而得到所述机械臂末端的运动精度。

另一方面，本发明还提供一种基于视觉的柔性机械臂的定位控制系统，包括:

特征获取模块，用于执行步骤获取机器人机械臂上特征区域的信息；

坐标转换模块，用于执行步骤通过坐标系转换，分别获取到基座、关节转动中心及机械臂末端的位姿；

运动控制模块，用于执行步骤对所述柔性机械臂进行运动控制。

再一方面，本发明还提供一种基于视觉的柔性机械臂的定位控制系统，包括：机器人基座及机械臂，还包括第一相机、第二相机、微处理器；其中，在所述机械臂上设有特征区域，所述第一相机和第二相机分别与所述微处理器连接；所述第一相机和第二相机用于采集机械臂特征区域信息和/或机械臂末端特征区域信息。

进一步地，所述特征区域设有二维码。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于视觉的柔性机械臂的定位控制方法及系统，通过对机械臂特征区域进行识别得到特征区域的位姿，基于坐标系转换，得到各关节、基座、机械臂的位置关系，进而进行定位控制。

本发明采用了相机来对柔性臂上的特征区域进行检测和定位，进而得到关节转动中心在相机坐标系中的位置，实现柔性臂臂型的重建。

另一方面，通过对柔性机械臂进行定位，获取末端及各关节转动中心实际的位置作为反馈，并与理论上末端及各关节转动中心的位置进行比较，纠正机械臂的运动偏差，提高柔性机械臂的运动精度。

附图说明

图1是本发明一实施例的基于视觉的柔性机器人系统的立体示意图；

图2是本发明另一实施例的柔性机械臂示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参照图1-2，为本发明提供的一种基于视觉的柔性机械臂的定位控制系统，包括：基座101及机械臂模块102，还包括第一相机1、第二相机2、微处理器(图中未示出)；其中，在所述各机械臂模块102上设有特征区域103，所述第一相机1和第二相机2分别与所述微处理器连接；所述第一相机1和第二相机2分别用于采集机械臂特征区域103的信息和机械臂102末端特征区域信息。

通过第一相机1和第二相机2来拍照捕获机械臂上的特征区域103(标志器)，来得到基座101、关节段转动中心及末端的位姿，以实现对柔性臂臂型进行重建，以及对柔性机械臂末端运动精度进行测量。

其中，本方案采用了两个相机进行对特征点进行拍摄，当然也可以采用多个相机对特征点进行拍摄，这也属于本专利的权利保护范围之中。

因相机视野有限，所述第一相机1主要用于对柔性机械臂3上靠近机械臂根部的特征区域(标志器)进行拍照捕捉，并辅助对机械臂末端标志器进行拍照捕捉，第二相机2主要用于对机械臂末端标志器进行拍照捕捉，并辅助对靠近机械臂末端的其他标志器进行拍照捕捉，利用相机之间的合作以拍照捕获所有标志器。

柔性机械臂3包括基座101和多个机械臂杆模块102连接而成，其中机械臂杆模块102上带有外壳，并且外壳及基座101上均带有标志器103，多个臂杆模块通过转动中心104来进行连接，在外壳上可布置多个标志器103，以保证外壳上至少有一个标志器103被相机捕获。

优选的，所述特征区域103(标志器)为二维码。采用相机捕获二维码标志器的图片，利用二维码检测定位算法得到二维码标志器在相机中的位姿，结合已知的关节转动中心104坐标系到二维码标志器坐标系的位姿关系，可得到关节转动中心104在相机坐标系的位姿关系，当获得所有转动中心104的位置则可对柔性机械臂3进行臂型重建。

通过利用相机对末端标志器进行检测及定位，结合末端坐标系到二维码标志器坐标系的位姿变换关系，可得到末端的在相机坐标系的位置和姿态，利用相机外参标定结果，可变换到机械臂末端在基座坐标系的位置和姿态；将这一实测的位姿与柔性臂关节驱动计算得到的期望位置和姿态进行比较，可得到柔性臂的末端定位精度。

其中，通过对二维码进行识别，得到二维码的id以及二维码在相机中的位姿，利用所获得的id能够很好地将柔性机械臂上所贴的其他二维码区分开来，以便获得准确的定位。柔性机械臂采用两个固定相机来捕捉柔性机械臂上安装的标志器，利用两个相机拍到的标志器信息进行融合，实现对所有标志器进行捕获；并且考虑可能存在标志器拍不到的情况，每个外壳上布置了一圈标志器。

该柔性臂控制系统能够实现柔性臂臂型重建，并对柔性臂末端定位精度进行测试，进一步也能够对中间关节定位进度进行测试，以分析定位误差来源。

本发明还提供一种基于视觉的柔性机械臂的定位控制方法，包括以下步骤：

获取机器人机械臂上特征区域的信息；

通过坐标系转换，分别获取到基座、关节转动中心及机械臂末端的位姿；

对所述柔性机械臂进行运动控制。

作为该技术方案的改进，通过拍照获取机器人机械臂上的二维码，利用二维码检测定位算法，得到所拍机械臂的位姿信息。

作为该技术方案的改进，通过二维码id及二维码坐标系到相机坐标系中的位姿变换矩阵，得到所述关节转动中心所在坐标系到所述相机坐标系的位姿变换矩阵。

作为该技术方案的改进，基于所述相机的外参量，可获得所述关节转动中心所在坐标系到基座坐标系的位姿变换矩阵。

作为该技术方案的改进，所述方法还包括：通过获得机械臂末端的二维码，进而得到机械臂末端点在基座坐标系的位姿变换矩阵。

进一步地，通过将得到的同一转动中心的多个位置坐标进行平均求解，获得基座转动中心、中间关节转动中心及末端的位置，进而实现所述柔性机械臂的臂型重建。

进一步地，所述方法还包括：根据所得机械臂末端点在基座坐标系的位姿变换矩阵与利用正运动学急死俺得出的末端到基座的变换矩阵进行比较，进而得到所述机械臂末端的运动精度。

本方案的工作原理为：先对两个固定相机采用相机外参标定的方法得到相机坐标系到机械臂基座坐标系的位姿变换矩阵^btc1、^btc2，通过相机拍摄二维码，并利用二维码检测定位算法，可得到二维码的id(假设为k)以及二维码坐标系(x0y0z0)到相机坐标系中的位姿变换矩阵^c1tk以及^c2tk(如果二维码k能够被对应相机捕获到，则有对应的位姿变换矩阵，否则没有)，利用设计安装过程中就已知的二维码所在柔性臂模块对应的转动中心到二维码坐标系(x0y0z0)的变换关系^ktrot,则可以得到关节转动中心所在坐标系到相机坐标系的位姿变换矩阵^c1trot＝^c1tk*^ktrot，^c2trot＝^c2tk*^ktrot。该位姿变换矩阵则包含了转动中心所在坐标系在相机坐标系中的位姿和姿态，结合相机的外参^btc1、^btc2则可得转动中心坐标系到基座坐标系的位姿变换矩阵：

其中关节转动中心的位置坐标为如下，其中^c1trot(1:3,4)表示矩阵^c1trot的第四列前三个元素：

对于计算得到的相同转动中心的坐标，将计算得到的同一个转动中心的多个位置坐标进行求平均，因此可得到基座转动中心、中间关节转动中心以及末端的位置，因此一次用直线对这些转动中心进行连接，可得到柔性机械臂的臂型，实现重建。

另外，利用上述视觉系统可对柔性机械臂末端精度进行测试，利用类似上面的位姿变换矩阵，可得到机械臂末端点在机械臂基座坐标系的变换矩阵：

^btend_mes＝^btc2*^c2tend＝^btc2*^c2tk*^ktend_mes；

该矩阵则包含了通过相机测得的柔性机械臂末端坐标系到柔性机械臂基坐标系之间的位姿变换关系，通过柔性机械臂正运动学计算出机械臂末端坐标系到基座坐标系的位姿变换关系矩阵如下：

^btend_cal＝^bt1*¹t2*...^i-1ti...^end-1tend_cal；

其中^i-1ti表示柔性臂上第i个坐标系到第i-1个坐标系的齐次变换关系，依据已知的dh参数和关节转角可以得到。

比较测量出来的末端到基座的变换矩阵^btend_mes与利用正运动学计算出的末端到基座的变换矩阵^btend_cal可得到机械臂末端的运动精度。

另一方面，本发明还提供一种基于视觉的柔性机械臂的定位控制系统，包括:

特征获取模块，用于执行步骤获取机器人机械臂上特征区域的信息；

坐标转换模块，用于执行步骤通过坐标系转换，分别获取到基座、关节转动中心及机械臂末端的位姿；

运动控制模块，用于执行步骤对所述柔性机械臂进行运动控制。

本发明提供的基于视觉的柔性机械臂的定位控制方法及系统，通过对机械臂特征区域进行识别得到特征区域的位姿，基于坐标系转换，得到各关节、基座、机械臂的位置关系，进而进行定位控制。

本发明采用了相机来对柔性臂上的特征区域进行检测和定位，进而得到关节转动中心在相机坐标系中的位置，实现柔性臂臂型的重建。

通过对柔性机械臂进行定位，获取末端及各关节转动中心实际的位置作为反馈，并与理论上末端及各关节转动中心的位置进行比较，纠正机械臂的运动偏差，提高柔性机械臂的运动精度。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。